カリフォルニア州で最も農業生産性の高い地域の地下にある帯水層から流出する水量は、そこへ戻ってくる水量をはるかに上回っている。この過剰なくみ上げにより、地域の広範囲で、絞られたスポンジのように地盤が沈下し、地下水の貯留能力が恒久的に低下するとともに、インフラにも損害が生じている。
この傾向と、州内の持続可能な地下水管理を義務付けた2014年の法令を受けて、地表を計画的に冠水させ、カリフォルニア州セントラルバレーの帯水層を補充することへの関心が高まっている。しかし、これまでは、こうした対策が最も効果を発揮する場所を見極める信頼できる方法がなかった。
「揚水を減らさなければ、今後20年間で一部の地点では地盤がさらに13フィート以上沈下するでしょう。」
undefined
セントラルバレーの一部では、20世紀前半に最大28フィート沈下し、近年も場所によっては年間ほぼ8インチ沈下している。学術誌『Water Resources Research』に掲載された新たな研究のモデルによると、揚水を減らさなければ、今後20年間で一部の地点では地盤がさらに13フィート以上沈下する。
揚水量が帯水層への涵養量を決して上回らないシナリオでも、過去の過剰なくみ上げの影響により、地盤沈下は続くとモデルは予測している。
「このシステムには時間差があります」と、研究の筆頭著者である地球物理学者ローズマリー・ナイト氏は話す。ナイト氏はスタンフォード大学地球・エネルギー・環境科学部の教授でもある。「沈下を止める唯一の方法は、利用可能な涵養水をどう使うか、戦略的に考えることです。」
「水はどこへ行くのか？」
通常の年には、セントラルバレーの大半の農業用水は運河、貯水池、河川の水で賄われ、帯水層の水は補助的に使われる。しかし近年の干ばつでは、地表水の供給が不足し、地域の170億ドル規模の農業を支える農家は、地下水への依存を強めた。
「大規模な農業に、少ない降水量、温暖な気温、地下水をくみ上げる必要性、そして沈下しやすい粘土の多さが重なり、最悪の条件がそろっています」とナイト氏は話す。
この地域の粘土層は、揚水によって乾燥すると圧縮されるが、ヒ素を多く含む傾向もあり、集中的なくみ上げによって水源にヒ素が放出される可能性がある。「つまり、水の量と水質の両方に問題が生じます」とナイト氏は話す。
カリフォルニア州で現在実施されている、または本格的に検討されている涵養方法には、冬季に農地や果樹園を冠水させる方法や、通年で使える涵養池を造る方法がある。
「重要な問いは、水がどこへ行くのかです」とナイト氏は話す。「農家の畑を冠水させるなら、効果があることを確かめるべきです。」
データの組み合わせ
水が地下のどこへ流れるかを把握するには、密に詰まった粘土やシルトの間を網の目のように走る砂や砂利の複雑な層を地図化する必要がある。カリフォルニア州では、こうした情報は州の規制当局に提出された掘削業者の報告書から得られることが多いが、入手には費用がかかり、掘削した井戸の間や下の地層は対象外となる。そのため、地盤沈下への最も一般的な対処法は、問題が起きてから対応することだ。
「先を見越して管理すれば、回復不可能な貯留能力の損失を防げます」と、筆頭著者のライアン・スミス氏は話す。同氏はミズーリ科学技術大学の教授で、地球物理学の博士課程在籍中にこの研究を完了した。
2種類のリモートセンシングデータを組み合わせるこの新手法は、比較的低コストで広大な農業地域に適用できる可能性がある。ナイト氏とスミス氏は、カリフォルニア州フレズノの南約45マイルにあるテュレア郡の3地点で、ヘリコプターから電磁信号を送信して砂と粘土の層の構造を測定した先行研究のデータを分析した。また、公開されている衛星画像のデータを処理し、地盤がどれほど沈下したかを測定した。
「どちらのデータセットも粘土の含有量と関連していることに気づきました」とスミス氏は話す。「この2つを結びつける数学的な方法があれば、地盤沈下の予測モデルを構築できると思いました。」この研究では、既存の数学・物理学のアルゴリズムを応用し、2つのデータセットを1つのモデルに統合する手法を説明している。
カリフォルニア州のうち、両方の種類のリモートセンシングデータで地図化されているのはごく一部だと、カリフォルニア州水資源局の上級技術地質学者ティム・ゴッドウィン氏は指摘する。同局は、州内の航空機搭載型電磁探査の拡大に向けたナイト氏の取り組みを支援してきた。こうしたデータセットが充実すれば、地盤沈下の予測ツールと組み合わせることで、持続可能性の目標を達成する最善の方法をめぐる問いに答えられるようになるという。
「地下水管理者は、地盤沈下が起きやすい条件をより正確に予測し、計画中の事業にいっそう確信を持てるようになるでしょう」と同氏は話す。
スミス氏によると、将来の水不足に備えて掘削業者が地域の井戸をより深く掘れば、今後の地盤沈下は現在のモデルが示すより深刻になる可能性がある。
「さらに深い場所には、ほとんど利用されていない帯水層がまだあり、そこから揚水すれば圧力が大幅に低下するでしょう」と同氏は話す。「その結果、現在利用されている帯水層の部分よりも、粘土層がさらに圧縮されることになります。」
この研究は、ゴードン・アンド・ベティ・ムーア財団と全米科学財団フェローシップ助成金の資金提供を受けた。
